特種車輛關鍵部件疲勞壽命預測與分析

金嘉琦，鄒姍姍, 王顯榮，戚基艷

（1.沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽110870；2.遼河油田青海分公司，青海 德令哈816000）

0 引 言

艦載機牽引車是能在不同的特殊環境下完成一系列特殊任務的一種裝備，可以在各種惡劣的作業環境下，依靠本身能力來實現艦載機的穩定移動和精準停放[1]。舉升機構舉升軸作為艦載機牽引車主要承載部件之一，其疲勞壽命的大小既反映了自身的疲勞可靠性，又會在一定程度上影響到舉升機構和整車的可靠性，因此，研究舉升機構舉升軸的疲勞壽命具有實際意義。

疲勞壽命一直是國內外學者關注的熱點問題，辛紅敏、吳華偉[2]提出了一種灰色系統理論預測刀具的疲勞壽命；宋威震、楊慶勇等[3]針對前歐拉法在預測裂紋擴展時小步長、精度低的問題,提出一種基于擴展有限元與極限學習機相結合的方法, 用于預測含裂紋板結構的疲勞壽命；ZhaoDan 等[4]在小樣本疲勞壽命數據的條件下，基于灰色理論實現了鋼絲繩在不同載荷條件下的疲勞壽命預測；L. Maragoni,P.A. Carraro,M. Quaresimin[5]提出了一個模型來預測在承受拉伸疲勞載荷的多孔單向復合材料層中裂紋萌生的壽命。而這些研究主要針對特定問題的疲勞壽命問題，目前對于特種車輛的舉升機構舉升軸疲勞壽命的研究在國內還是空白。

為了研究艦載機牽引車舉升機構舉升軸的疲勞壽命，首先對舉升機構進行疲勞壽命分析，得到舉升軸為關鍵易損部位；其次將舉升軸易損部位做成試件，進行疲勞拉伸實驗，得到關于舉升軸的S-N 曲線；然后通過有限元分析得到關于舉升軸的疲勞壽命；最后將舉升機構關鍵部位舉升軸的疲勞壽命與事先得到的關于舉升軸S-N 曲線的疲勞壽命進行對比分析，得到關于舉升軸的疲勞壽命的誤差。

1 基于N-code的艦載機牽引車舉升機構疲勞壽命分析

對舉升機構進行疲勞可靠性分析，首先要得出舉升機構承載部位的載荷譜，其次通過N-code 得到舉升機構的應力分布，最后需要通過一種疲勞累積損傷法則[6]對舉升機構進行疲勞壽命預測與評估[7]。

預測舉升機構的疲勞壽命，分析流程如圖1 所示。

圖1 舉升機構疲勞壽命分析流程

1.1 材料疲勞特性

對舉升機構進行疲勞分析，首先需要確定該結構材料的S-N 曲線。本艦載機牽引車舉升機構使用的金屬材料為C-45。在N-code 軟件中生成修正后的S-N 曲線，如圖2 所示。

圖2 C-45 修正后的S-N 曲線

1.2 疲勞壽命分析

本文之所以采用一種比較穩健的Goodman 方法，是因為舉升機構存在著隨機且有較大均值作用的載荷[8]。將Adams 動力學仿真求出的載荷譜導入到N-code 中，評估舉升機構疲勞損傷的參考標準是依據最大主應力，來求出該機構的疲勞壽命。圖3 為Adams 動力學仿真求出的舉升機構載荷時間歷程圖；圖4 為舉升機構靜力學分析得到的舉升機構應力云圖。圖5 為舉升機構關鍵部件舉升軸疲勞壽命云圖，其中最小壽命發生在舉升機構中的舉升軸與斜面滑塊接觸部位，這是由于該處主要承受艦載機對牽引車的載荷作用，承受的應力較大。圖6 為舉升機構疲勞損傷云圖，由疲勞損傷云圖可判定機構的關鍵易損部位為舉升軸。

圖3 舉升機構載荷時間歷程圖

圖4 舉升機構應力云圖

圖5 舉升機構疲勞壽命云圖

2 構建舉升軸的疲勞壽命曲線

本文首先通過Workbench 對艦載機牽引車舉升機構的舉升軸進行模態分析和諧響應分析，然后在仿真結果的基礎上對其試件進行拉壓疲勞試驗，其次根據實驗結果構建其疲勞壽命曲線（S-N）。

2.1 舉升機構關鍵部件有限元仿真分析

為了構建舉升機構關鍵部件的S-N 曲線，要對其進行拉壓疲勞試驗，其中拉壓疲勞試驗的數據是通過對其進行有限元仿真分析得到的。

本文首先建立舉升機構關鍵部件的有限元模型，其次在Workbench 中對其進行模態分析和諧響應分析，表1為舉升軸模態分析結果，表2 為舉升軸諧響應分析結果。

2.2 拉壓疲勞試驗

表1 舉升軸模態分析結果 Hz

目前，在對大多數模型進行疲勞壽命預測分析時，需要其模型的S-N 曲線，但獲得比較困難，基本采用模型基材的S-N 曲線或者采用模型的基材做成疲勞試件進行疲勞試驗獲得S-N 曲線，與模型實際S-N 曲線存在很大誤差，采用這種獲得模型S-N 曲線的方法，會造成模型疲勞壽命預測分析的不準確。

因此，為了縮小與模型實際S-N曲線的誤差，本文通過有限元疲勞壽命分析找到舉升機構關鍵部件的易損部位，然后在舉升軸的實際零件上（如圖7），進行線切割作為疲勞壽命試驗的試件，疲勞試件尺寸與形狀如圖8所示。上述的兩種方法與本文采用的獲得S-N曲線的方法相比沒有考慮易損部位及加工工藝性等，而且本文的方法結合了舉升機構關鍵部件的工況實際，使模型疲勞壽命預測分析更準確，更貼近實際。本文對舉升機構舉升軸進行諧響應分析得到不同的六階最大應力作為對疲勞試件進行疲勞試驗的循環應力，本文測定S-N曲線采用成組法[9]，應力比R=0.35，頻率為12 Hz 的條件下進行試驗，本次試驗共分為6 組，每組包含3 根疲勞試件，一共有18 根疲勞試件。因此，疲勞試驗需要進行6 次，每次試驗需要對3 根疲勞試件進行軸向拉壓疲勞試驗，圖9 為試驗過程，表3為實驗數據。

圖6 舉升機構疲勞損傷云圖

表2 舉升軸諧響應分析結果 MPa

圖7 舉升軸零件圖

圖8 疲勞試件

圖9 試驗過程

表3 試驗數據

將表3 的實驗數據輸入到Workbench 中，構建出舉升機構關鍵部件的S-N 曲線，如圖10所示。

圖10 舉升軸的S-N 曲線

3 舉升軸的疲勞壽命分析

3.1 舉升軸的材料與疲勞分析設置

在AnsysWorkbench 中在材料屬性中添加C-45 材料屬性及疲勞S-N 曲線，如表4 所示。添加疲勞分析選項，設置循環載荷，進行疲勞壽命Fatigue Tool 分析。

表4 材料數據

3.2 疲勞壽命分析

經過有限元的疲勞壽命分析，得出了舉升軸的life 云圖，如圖11 所示。

通過Workbench 得到的疲勞壽命分析結果是4.211×105次，即為舉升軸的疲勞循環次數。

圖11 疲勞壽命分析云圖

4 疲勞壽命計算與對比

4.1 線性累計損傷理論

線性疲勞累計損傷理論是指不同的力造成的損傷是不一樣的，可以進行疊加，若結構發生疲勞破壞是因為疊加的疲勞損傷達到了相應的數值[9]。本文采用修正邁因納理論，即在邁因納理論基礎上添加一個修正因子α。

式中：ni為每次運行中某種循環的循環次數；Ni為根據該循環的應力值，由零件的S-N曲線[10]確定出的該循環下的疲勞壽命；r為分解出的循環種類數。

表5 艦載機牽引車舉升軸的實際工作參數

4.2 疲勞壽命計算結果分析

5 結 論

通過對艦載機牽引車舉升機構舉升軸疲勞壽命分析，驗證了基于試驗得到的S-N曲線獲得疲勞壽命方法的精確性。對特種車輛的疲勞壽命分析和相關技術研究有著深遠意義。

1）提出基于N-code的舉升機構疲勞壽命分析，得到舉升機構關鍵易損部位為舉升軸，最小壽命存在于舉升軸處，循環次數為4.097×105次，確保了舉升軸疲勞壽命分析的精確性。

2）提出基于舉升軸的疲勞拉伸實驗，構建舉升軸本身的S-N 曲線，得到其疲勞壽命為4.221×105次，為其疲勞壽命分析提供了數據支持。

3）將基于N-code 的舉升機構疲勞壽命分析與基于舉升軸S-N 曲線的疲勞分析進行對比分析，得到基于舉升軸S-N 曲線的疲勞壽命更加接近舉升軸的真實服役年限。為特種車輛的優化改進以及檢修維護提供了理論依據。